超超臨界機組儀表導管及儀表閥門的配置設計特點

摘 要：本文對國內外百萬級超超臨界機組參數及機爐和工藝管道所用材質進行了分析研究，在此基礎上提出了與此密切相關的熱控專業儀表導管和儀表閥門的材料選擇、壁厚及結構的確定、及閥門數量配置等設計原則。

關鍵詞：機組參數 材料 導管 儀表閥門 配置

中圖分類號：TM6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0110-02

1 概述

壓力、差壓、差壓法測量液位、節流法測量流量以及汽水成份分析的取樣等，都要用到由儀表導管及儀表閥門等附件組成的管路系統作為取源部件。這些測量所用的就地儀表的取源部件、導管、閥門及附件基本上都需要與高溫高壓被測介質直接接觸，需對其材料、壁厚、結構型式及配置等進行研究，以滿足溫度及壓力的要求，并與工藝設備或管道材質相適應，確保機組安全可靠運行。

1.1 百萬級超超臨界機組參數

我國超超臨界機組的發展還剛起步，尚沒有超超臨界機組參數系列的國家標準，三大動力廠各自以引進技術機組作為標準，并滿足不同用戶對參數的不同要求。

三大動力廠1000 MW超超臨界機組推薦蒸汽參數如表1。

1.2 百萬級超超臨界機組機爐及工藝管道材質

1993年后，9Cr～12Cr鐵素體鋼在600℃以上使用的新突破，使超超臨界技術第二次大規模發展，其中歐洲、日本發展較快。品牌主要有9Cr鋼的T91/P91、T92/P92及12Cr鋼的T122/P122等（說明：P-PiPing，大管子；T-Tupe；小管子。 9-9Cr；12-12Cr。未位數字1、2……-序號），使用溫度可達620℃。國內目前參數的百萬級超超臨界機組主汽管、再熱汽管及汽機各部件主要都采用這些新材料。

更高一檔的新材料是高鉻的奧氏體鋼，使用溫度600 ℃～650 ℃，如18Cr的super 304H及25Cr的HR3C等。國內目前參數的百萬級超超臨界機組末級過熱器及末級再熱器管等需采用這些合金鋼材。

耐高溫鋼主要采用的是含鉻的合金鋼。一般情況下，鉻含量越高，合金鋼的耐高溫性能便越強。當然材料性能還與很多因素有關，有時會有鉻含量高的鋼材反而比鉻含量低的鋼材使用溫度范圍更低的情況，例如12Cr1MoV鋼使用溫度為565 ℃以下，而新的9～10Cr鋼（9～10Cr/1Mo/（W）/V/Nb/N），則達600 ℃～625 ℃。

2 超超臨界儀表導管、閥門的配置

本文主要涉及與超超臨界參數密切相關的給水系統、主蒸汽系統、熱再熱蒸汽系統的儀表測量導管的設計問題，與超超臨界參數關系不大的其他工藝系統的儀表導管設計已有成熟的技術和經驗，本文不再闡述。

2.1 導管的設計

2.1.1 一次門前取壓短管及導管

根據“火力發電廠熱工自動化就地設備安裝、管路及電纜設計技術規定”DL/T5182-2004：當被測介質參數P=16～17.5MPa，t=500～540℃時，汽水系統中一次門前取壓短管及導管材質均采用12Cr1MoV或與主管道同材質，取壓短管規格為φ25×7或φ22×6，導管規格為φ16×3。

在該規定的條文說明中還給出了超臨界參數機組管路選擇參考表，當被測介質參數P=17～25.4 MPa，t=500～566 ℃時，一次門前取壓短管及導管材質仍為12Cr1MoV或與主管道同材質，取壓短管規格亦為φ25×7或φ22×6，導管規格則為φ16×3.5或φ18×4。

目前國內1000MW超超臨界機組參數為25～28 MPa/600 ℃/600（610） ℃，超出“規定”的壓力溫度范圍，故規范在百萬超超臨界機組的設計中只能作為參考依據。

（1）一次門前取壓短管及導管材質。

12CrMoV，使用溫度一般不宜超過570℃，因而超超臨界600 ℃溫度下不適用。國內常用的不銹鋼1Cr18Ni9Ti或國外常用的奧氏體不銹鋼304、316等，可滿足600 ℃的溫度要求，但是考慮到異型鋼的焊接問題，故我院設計的百萬機組中多不采用這種材質。

“與主管道同材質”，無論從材質的耐溫考慮還是安裝焊接的角度都很合理。從1.2節分析可知，鍋爐出口集箱、主汽管、熱再熱汽管及汽機高溫部件，目前多采用進口新型的P91、P92、P122幾種鐵素體耐高溫合金鋼，其中檔次最高者是P122，是一種新型的12Cr鋼，因此一次門前取壓短管及導管如采用與主管道同材質，則推薦采用新型的9Cr鋼T91或T92，或新型的12Cr鋼T122管，可滿足600 ℃超超臨界參數在各種場合的取源要求。目前我院設計的百萬機組主蒸汽管道和熱再熱蒸汽管道采用T91或T92，故一次門前取壓短管材質均采用P91或P92。給水管路的溫度不高，材質選擇可按規范選擇鋼20及以上等級的材質。

（2）一次門前取壓短管及導管規格。

材質的選擇主要是從耐溫能力的角度來考慮，而導管規格（外徑×壁厚）則主要是從耐壓能力的角度來考慮。同一種材料在相同溫度下，內徑相同，壁厚越大，最大允許壓力越高；壁厚相同，內徑越小，最大允許壓力越大。

導管內徑是由運行實踐經驗選定的。內徑小，耗材少，但測量遲延大，且易堵塞，內徑大則相反。“設計技術規定”認為用10mm左右內徑較適合，超超臨界機組也沒有特殊理由去改變此值。在材料及內徑選定的情況下，主要是利用管壁厚度來滿足壓力及溫度的要求。溫度、壓力、內徑相同，不同材質所需管壁厚度不同，這是因為材料的性質不同，承壓能力不同。根據承壓計算和借鑒國外的經驗，故主蒸汽管路的一次門前取壓短管采用Φ32×8的P92鋼小口徑管，熱再熱蒸汽的壓力不高可以采用Φ25×7的P92管路，但是考慮采購較復雜，用量不多，規格盡量統一的原則，故也采用Φ32×8的P92鋼小口徑管。給水管路按照規范選用φ25×7的導管。

2.1.2 一次門后導管

按設計技術規定：當被測介質參數為P=17～25.4 MPa，t=500～566 ℃，一次門后導管材質為鋼20，規格為φ16×3。

由于一次門后介質已被冷卻，或一次門后導管早已被較低溫的介質充滿，故一次門后導管材質無需按被測介質溫度進行選擇。原則上，鋼20也可用作超超臨界參數一次門后導管材料。但考慮到一次門后介質溫度難以控制，有時可能會超過鋼20所能承受的溫度450 ℃，為安全起見，主蒸汽和熱再熱系統一次門后導管選用φ18×4.5的316H不銹鋼管。給水管路可按規范執行。

2.2 儀表閥門的設計

壓力、差壓、差壓法測量液位、節流法測量流量以及汽水成分分析的取樣管路需設置一次門、二次門、平衡門及排污門。

2.2.1 一次門

（1）一次門的材質要求。

按“規定”：“一次門、排污門宜按被測介質的壓力和溫度選擇”。

由于不銹鋼材料在600℃時出現硼化現象，因此，閥體的材料對于儀表閥門長周期安全運行也至關重要。這一點可從多數廠家所提供的閥門溫壓曲線或參數表中都可看出，當溫度超過600 ℃，其壓力數值將急劇下降至零。也有一些廠商所提供的溫壓曲線或數值顯示，其生產的不銹鋼儀表閥，在溫度為648 ℃，相對應的耐壓值為212bar，但考慮到硼化現象，在溫度高于600 ℃的場合就應慎用不銹鋼材料的閥門。

因此，在一次閥的選型上，應盡量考慮選用與工藝流程管道相同或相近的閥體材料，不但耐溫性能好，同時同種材料的焊接也很容易，如主蒸汽管道材料為P92的話，則所選一次閥門也應選用F92的材料。

（2）一次門的配置

壓力≥6.4 MPa時一次門采用串聯門，但并無國際標準，是東京電力標準及習慣。一般靠上游側的一次門是打開的，僅當緊急情況下需要時才關閉。下游側的一次門用于操作，目的是確保有一個一次門能關嚴，以策安全。故我院設計的百萬機組均在主蒸汽系統、熱再熱系統、給水系統設置串聯門。

儀表閥門的選用在國內有兩種不同的意見：普通儀表閥門和工藝閥門。兩者相比工藝閥門具有以下優點。

①通徑較大，一般為10 mm以上。

②結構相對復雜，閥蓋（bonnet）為多片式或組合式結構，在溫度變化時密封部分具有一定的自調整能力。

③填料（packing）用料多，密封性相對較好，且對于高壓閥門，閥蓋與閥體間多采用密封焊形式。

④閥桿長度較長，手輪較大且離閥體距離相對較遠，操作方便。

在高溫高壓場合采用工藝閥作為儀表閥門使用，其最大的優點在于其閥門本身在設計時就考慮了其耐高溫高壓的特點，其制造及檢驗已形成了較完善的標準體系，因此，從結構設計、強度和操作使用及壽命等方面均好于普通儀表閥。因此在主蒸汽系統、熱再熱系統、給水系統的一次門均采用串聯小型工藝閥。

2.2.2 二次門、排污門、平衡門的配置

排污門的配置應與一次門的配置相同，串聯配置。排污時差壓較大，易受介質沖刷磨損，為確保排污門能關閉嚴密不泄漏，故需設置串聯門。上游側的排污門處于常開狀態，必要時才關閉，比下游側排污門先開后關，確保不被沖刷，能關嚴。下游側的排污門供操作用，先關后開。排污門的型式可以同一次門配置相同，但因其操作較少，同時排污時介質經過了降溫的過程，考慮到造價的因素，熱再熱系統和給水系統也可以采用儀表閥。

二次門、平衡門的配置—— 超超臨界機組沒有特殊要求。

3 結語

百萬級超超臨界機組在國內是較新的技術，如此高的壓力及溫度，國外也不多見，儀表導管及儀表閥作為壓力取源的重要部件，將直接關系到機組的安全穩定運行。本文通過10臺百萬機組的設計經驗以及運行反饋意見，對這一領域進行了分析總結，希望能為以后的設計者提供相應的參考依據。

參考文獻

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